Forskere kontrollerer hastigheden af ​​nedbrydning og fiksering af dihydrogenmolekyle

Brint er det mest udbredte grundstof i universet. Dihydrogenmolekylet, med en H-H-binding, er en af ​​de enkleste og mest fleksible inden for kemi. At spalte en dihydrogenbinding for at producere eller lagre energi kræver, at katalysatoren designes med den perfekte balance af egenskaber for at opnå den ønskede reaktivitet. Ud over, evnen til at få det molekyle til at samle sig selv og kontrollere hastigheden af ​​samling og adskillelse er vigtig i produktionen af ​​rene brændstoffer. Morris Bullock og hans kolleger ved Pacific Northwest National Laboratory opnåede kontrol over hastigheden af ​​spaltning og gensamling af et dihydrogenmolekyle.

I den kontinuerlige søgen efter ren brændstofproduktion, forskere har undersøgt simple måder at heterolytisk spalte brintmolekylet i to ujævne produkter. Forståelse af egenskaberne ved heterolytisk dihydrogenbindingsspaltning og styring af placeringen og energien af ​​den resulterende proton og negativt ladede hydrid er vigtig for udformningen af ​​nye katalysatorer til brændselsceller og andre rene energikilder.

Dihydrogenbindingen er den enkleste i kemi, men den giver en fleksibilitet i, hvordan bindingen brydes. Det kan brydes på to forskellige måder, homolytisk eller heterolytisk, i to identiske fragmenter eller to forskellige ladede fragmenter, en proton og hydrid. Heterolytisk spaltning er brud af det bindende elektronpar i to ujævne produkter. Dette er en almindelig proces i brugen af ​​brint i brændselsceller og i biologiske processer i naturen, hvor enzymer oxiderer brint. Omvendt heterolytisk spaltning er processen med at tage disse ujævne fragmenter og rekonstruere dem til deres oprindelige struktur; det er, kombinere proton og hydrid og skabe dihydrogen.

Før denne undersøgelse, Bullock og hans kolleger undersøgte, hvordan dihydrogenbindinger brydes og omdannes til et dihydrogenmolekyle. "Det, vi forsøger at gøre, er at finde de rigtige elektroniske egenskaber, så den nødvendige energi til spaltning er lav, " siger Bullock, en katalyseforsker.

At designe dette molekyle er en balancegang. Tidligere iterationer af disse molekyler var enten bundet for stærkt til katalysatoren efter spaltning eller var for svage til at binde til katalysatoren. Som svar, PNNL-forskere skabte en række molybdæn-baserede katalysatorer, hvor hastigheden af ​​H-H-spaltning og gensamling kunne varieres systematisk.

Ud over, Bullock og hans kolleger beviste, at der eksisterer en mekanisme til at kontrollere hastigheden af ​​reversibel heterolytisk spaltning. Ved hjælp af kernemagnetisk resonansspektroskopi ved PNNL, de observerede reaktionen, mens den opstod. Yderligere, de kontrollerede spaltningshastigheden ved systematisk at ændre metalkompleksernes elektroniske karakteristika. Nogle af disse bindinger spaltes og samles igen tæt på 10 millioner gange i sekundet ved stuetemperatur. Ved at ændre surhedsgraden af ​​disse komplekser, den reversible heterolytiske spaltningshastighed kan ændres med en faktor på 10, 000.

Forståelse af de termodynamiske og kinetiske egenskaber ved spaltning af heterolytiske dihydrogenbindinger og styring af overførslen af ​​protonen og hydridet er kritisk vigtigt for design af nye katalysatorer. Det næste trin er at bestemme, hvordan man opnår spaltning af H-H-bindingerne og kontrollerer levering af protoner og hydrider, efter at H-H-bindingen er brudt.